ОЭП для космического сегмента

Космический сегмент представляет собой орбитальную группировку, состоящий из одного или нескольких КА, каждый из которых может быть представлен одним из способов:

– КА в классическом варианте, состоящий из служебных и специальных отсеков, размещенных гермаконтейнерах;

– Космический аппарат в виде платформы с отсеками.

Космическую систему (КС) можно рассматривать как комплекс бортовых аппаратур космического сегмента и комплекс аппаратур наземного сегмента.

Как правило, КА ориентированы для решения определенного класса задач и именно для этого класса задач проектируется ЦА, стоимость разработки которых оценивается десятками миллионов долларов США.

КА могут различаться по следующим признакам: по массе и энергопотреблению, принципами компоновок КА и системы управления и др.

Изображение участка земной поверхности, построенное в фокальной плоскости объектива, преобразуется ОЭП в цифровой сигнал, обрабатывается и передается бортовым радиотехническим комплексом (БРТК) на Землю в приемный пункт. Способ наблюдения поверхности Земли космическим аппаратом (КА) определяется следующими факторами:

· Характеристикой целевой аппаратуры на борту КА;

· Характеристикой оптики (объективом и фокусным расстоянием)

· Типом используемого фотоприемника (датчика);

· Классом задач, решаемых ОЭП (с требуемым разрешением, полосой захвата и периодичностью наблюдения).

Идут совершенствования, изменились технологий аппаратных средств, происходит миниатюризации полезной нагрузки, и уже на Западе появились КА следующего поколения на платформах. Следовательно, пора пересмотреть концепцию, т.е. вначале должны быть определены, согласно ТЗ, конструктивные и массоэнергетические характеристики полезной нагрузки (ПН), а затем должна быть заказана для нее платформа (гермоконтейнер) и посадочное место в КА.

3.1 Режимы съемки ЦА-1 Режимы съемки ЦА-1 определены техническим заданием на КА.

· Объектовая съемка (ОС);

· Маршрутная съемка (МС);

· Детальная сьемка (ДС).

Принципы наблюдения оптико-электронного преобразователя (ОЭП) должны быть унифицированы для всех диапазонов волн:

· ОЭП детального наблюдения в режиме ПХ для: l = 0,5 ÷ 0,8 мкм;

· ОЭП мультиспектрального наблюдения в диапазоне: l = 0,5 ÷ 0,8 мкм.

Одновременное наблюдение в панхроматическом и спектрозональном режиме позволяет создавать топографические карты более крупного масштаба.

Мультиспектральное наблюдение проводится в микро диапазонах: 0,57 ÷ 0,712 (В2); 0,713 ÷ 0,732 (В5) и т.д.

Режимы работы ЦА-1

Режимы работы ЦА-1 являются дополнительными к приведенным выше режимам работы КС.КС должен отрабатывать все режимы, приведенные в ТЗ для КА и системы в целом.

Режим записи и хранения информации обеспечивается использованием энергонезависимой флэш-памяти. Минимальная длительность сеанса записи – 1 секунда, максимальная определяется емкостью флэш-памяти. Емкость модуля флэш-памяти может быть организована до 10 Тбайт.

Режим непосредственной передачи информации проводится в темпе съемки объектов в зоне радиовидимости пункта приема. Этот режим похож на объединённые режимы записи и воспроизведения, и отличие заключается в том, что запись во флэш-память не производится. Коэффициент сжатия в данном режиме составляет до 1 бита на элемент изображения. Для выравнивания входного и выходного потоков в ЗУ производится буферизация видеоинформации, в этом режиме также возможна коммутация произвольного количества выходных каналов ОЭП на любое количество входных каналов бортовой радиолинии.

Режим воспроизведения записанной информацииобеспечивает считывание из БЗУ, преобразование, формирование радиокадра и предачу информации по бортовой радиолинии на наземный пункт приёма. Время начала воспроизведения определяет УП согласно ИД, полученный от БКУ, а также вИД определяется, будет ли передаваться весь файл сеанса или выбранная последовательность пакетов сеанса. Команда на воспроизведение выдаётся индивидуально каждому модулю памяти соответствующего канала. Блок БЗУ может коммутировать произвольное количество модулей памяти на любое количество входных каналов бортовой радиолинии. При выдаче данных в радиолинию формирование структуры информационных кадров производится независимо в каждом канале.

Режим калибровки предназначен для приема и преобразования светового потока, формируемого калиброванным источником. Калибровочная информация используется для калибровки сквозного тракта с целью достоверного определения яркостных характеристик наблюдаемого объекта.

Режим «мира электронный» соответствует режимам записи и непосредственной передачи видеоинформации. Отличие состоит в том, что специнформация «мира электронная» формируется в матрицах ПЗС электронным способом и засветка блоков ОЭП не допускается. Вместо оптического движущегося изображения на матрицы ФПЗС воздействует электрический сигнал, обеспечивающий формирование на выходе блоков ОЭП видеосигнала типа «шахматная доска». Данный режим предназначен для проверки технического состояния элементов схемы ЦА-1, формирующих СПИ.

Режим тестирования производится для контроля канала и работы ЦА. Тестовый режим является технологическими предназначен для проверки аппаратных средств и органов управления при наземных испытаниях в составе КА. В случае не соответствия параметров аппаратно-программных средств по ТЗ аппаратура возвращается на завод на доработку.

Структурно-функциональная схема борта

ЦА-1,ЦА-2

ЦА-1 ЦА-2

радиолиния

Структурно-функциональная схема ЦА сквозного тракта космической системы делится так же на космический сегмент (ЦА-1) и наземный сегмент (ЦА-2). Работа ЦА-1 и ЦА-2 синхронизирована по бортовой шкале времени . Точность бортовой шкалы времени определена по атомному стандарту. Структурно-функциональная схема цифрового тракта ЦА-1 приведена на рис. 4.3.

к

Рис. 4.3. Структурно-функциональная схема цифрового тракта ЦА-1

БКУ – бортовой комплекс управления в составе служебного отсека КА;

ЦА-1:

УП – управляющая подсистема;

ОЭП – оптико-электронный преобразователь;

КСК – комплекс структурного кодирования;

БРТК – бортовой радиотехнический комплекс;

ЦТ, ИФ – цифровой тракт КС и интерфейс связи

ВИП – вторичный источник питания.

Состав ЦА-1 иногда в состав включаюттакже датчики радионавигации и астроориентации для проведения точной съемки. Для этих датчиков жестко требуются точность вычисления координат и ориентации КА. Это зависит от вычислительных средств КА, а также реализации различных методов цифровой обработки СПИ на борту.

Целевая аппаратура (ЦА) устанавливается на платформе космического аппарата (КА) и размещается в головной части РН. Компоновка КА представляется как один из основных этапов проектирования космической системы (КС) ДЗЗ.

ОЭК обеспечивающих съемку земной поверхности с разрешением в детальном режиме 0,5 ÷ 1,5 м при поле захвата 15 ÷ 30 км. ОЭК (рис. 3.17.), предназначенного для обеспечения оперативного наблюдения с угловой разрешающей способностью 1,0 × 10^-6 рад. в ПХ-канале наблюдения и 2,0 × 10^-6 – в МС-канале, что соответствует проекции пикселя на Землю 0,7 и 1,4 м, соответственно, с высоты орбиты функционирования 700 км и полосой захвата 33,6 км.

Рис.3.17. Структурная схема оптико-электронного комплекса

Оптико-электронный комплекс включает в себя:

· ОЭК для высокодетальной ПХ-канал и МС-канал съемки;

· процессорный модуль управления;

· бортовое запоминающее устройство – ЗУ.

3.3.1 Структурно-функциональная схемаОЭП .

Бортовая аппаратура ОЭП-МС

Рис. 4.3. Структурно-функциональная схема ОЭП.

Фокальный узел телескопа, который постоянно требует модернизацию:

· Модернизация оптического узла с целью облегчения оптической системы, является ключевым моментом снижения массоэнергетических характеристик. Жесткая конструкция телескопа и система крепления должны обеспечивать точное позиционирование зеркала для того, чтобы сформировать изображение на ПЗС приемнике без смази;

· Вариант использования полнокадровых ПЗС матриц предполагает отказ от использования тангажного замедления. Вместо этого во время съемки осуществляется тактирование горизонтальных электродов с целью движения зарядов вдоль столбцов, синхронно с движением изображения;

· В состав микросхем ПЗС-структуры постепенно внедряются формирователи тактовых диаграмм, предусилители, АЦП, возможно, задающие генераторы с цифровым управлением, подобно тому, что уже имеется на КМОП-фотоприемниках. Это позволит существенно уменьшить размер ОЭП и облегчить аппаратуры фокальной плоскости.

Создание космических оптических систем с большим диаметром зеркала - задача не просто сложная, а крайне сложная. Такими ключевыми элементами для оптико-электронной аппаратуры систем ДЗЗ являются:

- оптическая система и многоэлементные фотоприемники ПЗС;

- аппаратура бортовой цифровой обработки информации;

- устройства накопления цифровой информации БЗУ;

- радиопередающая система.

Оптико-электронный преобразователь — прибор, предназначенный для приёма и обработки информации об объекте за счёт преобразования лучистой энергии (собственного или отражённого оптического излучения объекта) в электрическую.

Структурный состав ОЭП и принцип его работы. Бурное развитие электроники позволяет с большим оптимизмом смотреть на возможности снижения массы оптико-электронной аппаратуры (ОЭП). Повысилась степень интеграции фотоприемных приборов с зарядовой связью. Стали доступны малогабаритные полупроводниковые запоминающего устройства большой ёмкости, микросхемы и процессоры цифровой обработки. Они могут содержать миллионы вентилей и обеспечивают обработку информации на частотах в сотни МГц. К сожалению, почти все это относится к зарубежным элементам.

Вероятность того, что может появиться новый класс космических систем ДЗЗ – систем типа "электронного фотоаппарата", большая. Возможны два варианта таких систем с использованием тангажного замедления и полнокадровой матрицы и с использованием "кадрового ВЗН". Характеристики таких систем должны быть относительно невысокими с точки зрения полосы захвата и производительности. Думаю, что размер кадра на Земле, скорее всего, не должно превысит 10 х 10 км при разрешении около 1 м. Такие КА могут иметь небольшую массу, около 150 кг, что позволит одним пуском ракеты класса "Рокот", выводить до 8 таких аппаратов. Это означает, что за 1-2 пуска можно создать группировку КА, которая будет обеспечивать высокую оперативность съемки заданного района.

Успехи в области создания миниатюрных устройств для систем ориентации, стабилизации и управления движением КА уже позволяют создавать сверхмалые космические платформы, по своим характеристикам удовлетворяющие требованиям дистанционного зондирования земли. Одновременно достижения в области фотоприёмников и высокоинтегрированных микроэлектронных узлов позволяют создавать миниатюрные оптико-электронные камеры, с запоминающим и радиопередающим устройством с массой в единицы килограмм.

Комплексирование этих систем на одной платформе может позволить создать сверхмалые КА ДЗЗ и группировки спутников (системы) на их основе. При этом космический аппарат массой 30-40 кг способен обеспечивать съемку с разрешением 5-10 м в полосе 40-100 км и доставку информации на приёмные пункты потребителей. Группировка этих недорогих спутников позволит иметь оперативную, высокопроизводительную, эффективную систему ДЗЗ.

Фотозона блока оптко – электронного преобразователя состоит из набора расположенных в два ряда в шахматном порядке матричных ФПЗС с четырьмя фотозонами каждая (см. рис. 4.8). В одном ряду расположен фотоприемник ПЗС с нечетными номерами, а в другом с четными. Исходя из соображении конструктива и надежности блок разделен на две зоны.

Зоны имеют независимое резервированное питание и управление и объединяются только цепями синхронизации. Опорная частота формируется ячейкой кварцевого генератора .

Эксплуатационные характеристики обычно включают в себя сведения о режимах работы, электропитания, тактовые диаграммы, рабочие частоты, устойчивость к воздействию внешних факторов (температуры, механических и радиационных воздействий), а также дополнительные указания, например способы пайки и монтажа в аппаратуре.

Рис. 4.9. Структурная схема блока ОЭП

ОЭП в составе целевой аппаратуры борта устанавливается в отсеке платформы космического аппарата или в гермоконтейнере, в зависимости от ТТХ КА.

ОЭП преобразовывает аналоговых отчетов сигнала в цифровые сигналы и производит сжатие информации. В ОЭП входит оптический узел и фотоприемник ПЗС-структур. Это связано с некоторыми причинами: во-первых, это более высокие характеристики с соответствующей стоимостью ПЗС. Во-вторых, до 90-х годов выпускались исключительно матричные КМОП технологии, причем, относительно небольшого формата (мак. 2048 х 2048 эл.).